Científicos cultivan el primer tejido cerebral totalmente sintético

El equipo de la UC Riverside crea un tejido similar al cerebro sin ingredientes de origen animal

En un avance que podría redefinir la forma en que los laboratorios estudian el cerebro, investigadores de la University of California, Riverside informan que han cultivado tejido funcional similar al cerebral sobre un andamio fabricado íntegramente con materiales sintéticos. El trabajo sustituye los recubrimientos de origen animal y los extractos de matriz extracelular utilizados habitualmente por un polímero químicamente neutro cuya arquitectura física guía por sí sola a las células de donantes humanos para formar redes neuronales. Este enfoque pretende que las pruebas neurológicas sean más controlables, duraderas y menos dependientes de modelos animales.

Cómo se fabrica el andamio

El equipo construyó su andamio a partir de polietilenglicol (PEG), un polímero biocompatible muy utilizado que normalmente es inerte para la adhesión celular. En lugar de añadir ligandos biológicos como la laminina o la fibrina —suplementos estándar que suelen proceder de tejidos animales—, los investigadores remodelaron el PEG para convertirlo en un laberinto poroso interconectado y con gran textura. Las células sembradas en los poros pueden acceder al oxígeno y a los nutrientes y, lo que es fundamental, organizarse en cúmulos similares a los del cerebro que se comunican eléctricamente una vez maduros.

Para crear esa microarquitectura porosa, el grupo utilizó una etapa de fabricación basada en flujo: se bombearon soluciones de agua, etanol y PEG a través de capilares de vidrio anidados para que la mezcla se separara en fases al entrar en contacto con una corriente de agua externa. Un destello de luz fijó entonces la estructura separada en su sitio, produciendo un andamio estable y altamente poroso que puede sembrarse con células neuronales de donantes. Según los investigadores, las células responden a esa estructura física controlada, en lugar de a recubrimientos biológicos.

Por qué es importante la vía sintética

La mayoría de las plataformas actuales de cultivo neuronal tridimensional dependen de extractos biológicos —por ejemplo, preparados de membrana basal— que son químicamente complejos, variables entre lotes y a menudo proceden de fuentes animales. Estas variables dificultan la reproducción de los experimentos y complican los esfuerzos por trasladar los hallazgos a la medicina humana. Por el contrario, el PEG está bien definido químicamente y no es inmunogénico, por lo que los andamios construidos con él pueden fabricarse con una composición y unas propiedades mecánicas constantes, y no requieren suplementos de origen animal para favorecer el crecimiento celular cuando la microarquitectura se optimiza adecuadamente. Estas propiedades materiales han convertido a los hidrogeles de PEG en una herramienta fundamental en la ingeniería de tejidos neuronales durante años; el nuevo trabajo demuestra una vía para que el PEG no sea solo permisivo, sino instructivo para la organización neuronal mediante el diseño de su geometría interna.

Dónde encaja esto con otros modelos cerebrales

En los últimos años, los laboratorios han impulsado las tecnologías de organoides y asambloides —cúmulos autoensamblados de neuronas derivadas de células madre humanas que pueden modelar aspectos de regiones y vías cerebrales— hasta alcanzar una fidelidad notable, incluyendo la reproducción de circuitos que transmiten señales sensoriales. Esos sistemas dependen de las señales bioquímicas y la autoorganización celular que proporcionan las matrices biológicas y los protocolos complejos. El andamio de la UC Riverside es complementario: en lugar de depender de la complejidad biológica, ofrece una plataforma definida físicamente que puede mejorar la reproducibilidad y la longevidad de los experimentos que necesitan redes estables y específicas de donantes. Juntos, estos enfoques ofrecen a los investigadores diferentes equilibrios entre el realismo biológico, el control experimental y las preocupaciones éticas sobre el uso de animales.

Posibles aplicaciones y ventajas

Los investigadores destacan varios usos a corto plazo: el modelado de la mecánica de lesiones cerebrales traumáticas e ictus, el estudio de procesos de enfermedades como el Alzhéimer en células específicas de donantes y el cribado de fármacos neuroactivos sin tejido animal. Debido a que el andamio sintético es estacionario y menos propenso a la degradación bioquímica, puede soportar experimentos más largos que permitan la maduración de las células neuronales, un requisito clave ya que muchas características de las enfermedades neurológicas solo aparecen en neuronas maduras. El equipo también ve esto como un primer paso hacia el ensamblaje de redes de diferentes modelos de órganos para que los científicos puedan estudiar las interacciones entre el cerebro y otros tejidos de forma controlada.

Límites y el camino hacia la escala

Los andamios actuales son pequeños —de unos dos milímetros de ancho— y los investigadores reconocen varios retos de ingeniería antes de que el enfoque pueda sustituir a modelos más grandes o complejos. El principal de ellos es la perfusión: las construcciones de tejido de mayor tamaño necesitan una vasculatura integrada o canales sintéticos eficientes para suministrar oxígeno y eliminar residuos. El diseño y la fabricación de redes vasculares que puedan sostener tejidos a escala de órgano, y la conexión de esas redes a la matriz cerebral sintética, siguen siendo áreas de investigación activa. También existen dudas sobre cómo pueden modelarse las interacciones inmunitarias, la fisiología de la barrera hematoencefálica y otras influencias sistémicas en un andamio totalmente sintético.

Ética, regulación y la promesa de menos animales

Más allá de la reproducibilidad experimental, el andamio sintético aborda las presiones éticas y regulatorias para reducir la experimentación con animales. Los organismos reguladores y los financiadores de varias jurisdicciones están fomentando el desarrollo de sistemas de ensayo no animales para la seguridad y eficacia de los fármacos, y las plataformas sintéticas definidas podrían acelerar esa transición al ofrecer bancos de pruebas repetibles y relevantes para el ser humano. Aun así, los reguladores esperarán una validación cuidadosa que demuestre que las respuestas en el modelo sintético predicen los resultados en humanos, y eso requerirá tiempo y replicación en distintos laboratorios.

Qué vigilar a continuación

• Escalamiento: demostraciones de construcciones de mayor tamaño y sistemas integrados de vasculatura sintética o perfusión.
• Validación funcional: estudios de electrofisiología y respuesta a fármacos que muestren un comportamiento predecible y específico del donante, relevante para la enfermedad.
• Comparaciones entre plataformas: pruebas directas comparando andamios sintéticos, organoides y modelos animales para el mismo fármaco o lesión.
• Compromiso regulatorio: conversaciones iniciales con agencias para definir cómo podrían utilizarse los tejidos sintéticos en las fases preclínicas.

El equipo de la UC Riverside comenzó el proyecto en 2020 y cuenta con el apoyo financiero de fondos internos de puesta en marcha y subvenciones estatales para medicina regenerativa. El concepto de andamio ya ha llevado al grupo a presentar trabajos relacionados sobre tejido hepático sintético y siguen buscando estrategias para conectar cultivos a nivel de órganos en sistemas que interactúen. Si estos próximos pasos tienen éxito, el enfoque podría proporcionar a los investigadores una nueva clase de modelos de tejido escalables y centrados en el ser humano para la neurociencia y el descubrimiento de fármacos.

James Lawson es reportero de investigación en ciencia y tecnología para Dark Matter. Posee un máster en Comunicación Científica y una licenciatura en Física por el University College London, y cubre avances en IA, espacio y tecnologías cuánticas.